Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ĂNG TEN VÀ ĂNG TEN LOA

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ĂNG TEN VÀ ĂNG TEN LOA

Tải bản đầy đủ - 0trang

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A



R2



D2







(2.2)



Miền trường xa (Far field) là vùng bức xạ, năng lượng lan truyền theo một búp

sóng chính và một số búp sóng phụ (phân tán ra khơng gian).

Truyền năng lượng không dây sử dung chùm tia vi ba thường được tính tốn trong

vùng này để có hiệu suất truyền cao, vì vậy kích thước của ăng ten (đường kính D) có

vai trò quan trọng.

2.1.2. Búp sóng (Lobe)

Búp sóng là độ rộng của tín hiệu cao tần mà ăng ten phát ra. Búp sóng của trường

bức xạ thường được phân loại như sau: búp sóng chính (mainlobe), búp sóng phụ

(sidelobe), búp sóng phía sau (backlobe). Búp sóng được biểu diễn ở (hình 2.2).



Hình 2. 2 Búp sóng của ăng ten

-



Búp sóng chính (Mainlobe): chứa phương hướng sự bức xạ cực đại của ăng ten.



-



Búp sóng phụ (Sidelobe) là tồn bộ những búp sóng khác ngồi búp sóng chính.

Những búp sóng này có phương hướng bức xạ rất nhỏ, đây là những hướng bức

xạ khơng mong muốn.



-



Búp sóng sau (Backlobe): ngược hướng 180 với búp sóng chính.



16



Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A



2.1.3. Độ rộng búp sóng (Beam Width)

Thông thường ta phân biệt làm hai loại như sau:

- Độ rộng búp sóng nửa cơng suất (Half Power Beam Width): là góc giữa hai

hướng có cường độ bức xạ bằng ½ giá trị cực đại trong mặt phẳng chức hướng bức xạ

cực đại của búp sóng (cường độ bức xa ở giữa hai hướng này giảm 3 dB so với hướng

cực đại)



Hình 2. 3 Độ rộng chùm nửa cơng suất

- Độ rộng chùm giữa các bức xạ không đầu tiên (First Null Beam Width): trường

tạo bởi hai tia xuất phát từ nguồn và tiếp tuyến với búp sóng chính tại nguồn điểm bức

xạ.

2.1.4. Cường độ bức xạ (Radiation Intensity)

Cường độ bức xạ (U) của ăng ten theo một hướng cho trước là tỷ số giữa công

suất bức xạ trên một đơn vị góc khối theo hướng đó. Cường độ bức xạ là thông số được

xác định trong miền trường xa. Về mặt tốn học nó được xác định như sau:

U  r 2Wrad



Trong đó:



: mật độ cơng suất bức xạ (



r là bán kính khối cầu.



17



(2.3)

)



Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A



2.1.5. Độ định hướng (Directivity)

Độ định hướng của ăng ten theo một hướng cho trước là tỷ số giữa cường độ

bức xạ theo hướng này và cường độ bức xạ trung bình theo mọi hướng (nếu không đề

cập đến một hướng cụ thể nào thì chúng ta ngầm hiểu là hướng có biên độ bức xạ cực

đại).

,



,



=

=



Trong đó:



,



=4



(2.4)



=4



(≤ 1)



(2.5)



D là độ định hướng.



=



là độ định hướng cực đại.



U là cường độ bức xạ(W/sr).

là cường độ bức xạ cực đại (W/sr).

là tổng công suất bức xạ(W).

2.1.6. Độ lợi (Gain)

Độ lợi của ăng ten là tỷ số giữa cường độ bức xạ U theo một hướng cho trước và

cường độ bức xạ thu được nếu công suất đưa vào ăng ten được bức xạ đẳng hướng

(isotropic).

,



Nếu ăng ten khơng tổn hao



,



=4

=



thì



(2.6)

,



=



,



.



Do các tổn hao tồn tại ở các khâu phối hợp trở kháng giữa đường truyền sóng và

ăng ten, tổn hao đường truyền và tổn hao trên ăng ten (do điện môi, sai phân cực), công

suất bức xạ (



) của ăng ten luôn nhỏ hơn công suất nhận được từ nguồn (



vậy, trong thực tế độ lợi luôn nhỏ hơn độ định hướng.

2.1.7. Hiệu suất của ăng ten



18



). Vì



Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A



Ăng ten là thiết bị bức xạ và thu năng lượng cho nên ta cần quan tâm đến hiệu

suất của nó để có thể đánh giá chính xác hiệu quả cũng như tổn hao về công suất mà

ăng ten mang lại. Hiệu suất của ăng ten chính là tỷ số giữa công suất bức xạ

công suất máy phát đưa vào ăng ten



.



=

2.2.







(0 ≤



≤ 1)



(2.7)



Ăng ten LOA (Horn Ăng tenna)



2.2.1. Định nghĩa

Ăng ten loa là một loại ăng ten bức xạ mặt. Mặt bức xạ của ăng ten là miệng loa.

Phần tử bức xạ cơ bản của ăng ten là nguyên tố Huygen, nghĩa là nguyên tố diện tích

được kích thích bởi điện từ trường đồng pha [9].

2.2.2. Phân loại

Các ăng ten loa rất phổ biến trong dải tần số vi ba (tần số trên 1 GHz). Các Ăng

ten loa có độ tăng ích (gain) lớn, hệ số sóng đứng điện áp (VSWR) thấp, dải tần tương

đối rộng và chúng lại được thiết kế rất dễ dàng. Có ba loại ăng ten loa hình chữ nhật

[10, 11] là: Ăng ten loa hình quạt mặt H, ăng ten loa hình quạt mặt E, ăng ten loa hình

chóp.



19



Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A



Hình 2. 4 Một số hình vẽ ăng ten loa



Hình 2. 5 Một số vẽ ăng ten loa thực tế

Các ăng ten loa hình chữ nhật thích hợp nhất đối với các nguồn cấp ống dẫn

sóng hình chữ nhật. Ăng ten loa thực hiện vai trò chuyển tiếp sóng điện từ từ ống dẫn

sóng đến khơng gian tryền sóng bên ngồi. Khi nguồn cấp là ống dẫn sóng hình trụ thì

20



Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A



các ăng ten loa có dạng hình nón. Chúng ta cần xét riêng biệt các loại Ăng ten thay vì

áp dụng nguyên lý các ăng ten ống dẫn sóng một cách trực tiếp bởi vì có sai số định

pha xảy ra do chiều dài từ tâm của nguồn cấp đến tâm của khẩu độ mở (aperture) của

ăng ten và đến mép của ăng ten là khác nhau. Điều này tạo nên các kết quả là khẩu độ

pha đồng đều vô hiệu đối với các khẩu độ ăng ten loa.

2.2.3. Đặc điểm của ăng ten loa H

Các thơng số hình học và các thơng số chính thể hiện ở hình dưới đây được sử

dụng trong việc phân tích tiếp theo sau [11, 12].



Hình 2. 6 Hình cắt theo mặt H (x-z) của ăng ten loa hình quạt mặt H

=



+



(2.8)



= arctan

=( − )



(2.9)





21



(2.10)



Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A



Hai kích thước cơ bản đối với cấu trúc của ăng ten loa là A và RH. Vùng tiếp

tuyến đến phần đầu vào của ăng ten loa bao gồm các thành phần nằm ngang của mode

miền dẫn sóng TE10:

=

=−



(2.11)



/



ở đây:

=



là trở kháng sóng của mode TE10;



=



1−



Ở đây,



=



là hằng số truyền sóng của mode TE10;





= 2 / và λ là bước sóng khơng gian tự do. Chú ý rằng trở



kháng sóng của ống dẫn sóng mở rộng (phần loa) tiến dần đến trở kháng thực chất của

không gian mở ƞ khi A (độ rộng mặt H) tăng lên.

Bởi vì khẩu độ ăng ten loa khơng xòe ra theo hướng y, pha đồng đều trong

hướng này. Chúng ta tính gần đúng khu vực sóng trong ăng ten loa:

R=



+



=



1+







1+



(2.12)



Phép tính này đúng nếu x<
nhận rằng:

R – R0 ≈



(2.13)



Sử dụng biểu thức (2.21) thì điện trường tại khẩu độ xấp xỉ:

=



cos



(2.14)



Điện trường tại mặt khẩu độ bên ngoài khẩu độ ăng ten được cho là bằng 0. Biểu

thức trường (2.1.4.7) được thay trong tích phân



22



:



Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A



=



(



)



d d



/



/



d .



=E0



(2.16)



/



/



(2.15)



Sau khi, tính tốn và rút gọn các tích phân phức tạp phía trên chúng ta được kết

quả cuối cùng như sau:

( , )x



=



(2.17)



/



với ( , ) = −



d

/



Có thể nhận được sự đánh giá chính xác hơn của

biểu thức (2.11) khơng được tạo ra và thay

=



cos(



)



nếu phép tính gần đúng ở



vào biểu thức (2.25) ta được:



=



cos(



)



(2.18)



Bây giờ, trường xa có thể được tính tốn như sau:

=jβ



(1+cosθ)sinφ.



=jβ



(1+cosθ)cosφ.



(2.19)



Hoặc

. ( , )



E = jβ



+



(2.20)



Dạng điện trường của ăng ten loa hình quạt mặt H thu được như sau:

=



. ( , )



.



Các dạng mặt cơ bản của ăng ten loa:



23



(2.21)



Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A



Mặt E ( =900):

( )=



(2.22)



Trong biểu thức này, chúng ta thấy rằng thành phần thứ 2 là dạng nguồn đường

thẳng đồng đều có độ dài b theo dọc trục y.

Mặt H ( =00):

( )=



.



( )=



.



,

(



,



)



(2.23)



Hình 2. 7 Dạng mặt E và H của ăng ten loa hình quạt mặt H

Độ định hướng của ăng ten loa hình quạt mặt H được tính bằng biểu thức định

hướng chung đối với các khẩu độ:

=





∬ |



|



Tích phân ở mẫu số tỉ lệ với tổng công suất bức xạ:



24



(2.24)



Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A



2 Π



=∬ |



|



=∫



















|



|



=|



|



(2.25)



Từ kết quả tính tích phân ở tử số của biểu thức (2.1.4.17), thay điện trường với pha

được tính gần đúng, chúng ta được kết quả là:

=



=



(



)



(2.26)



ở đây:

=

=



;

{[ ( ) − ( )] + [ ( ) − ( )] }



= 2√ 1 +

t=



,



= 2√ −1 +



;







Họ của các đường cong độ định hướng phổ biến được đưa ra dưới đây. Từ

những đường cong này, rõ ràng là đối với bất kỳ độ dài trục R0 và ở bước sóng nào đó

thì có một khẩu độ độ rộng A tối ưu tương ứng với độ định hướng cực đại.



Hình 2. 8 Các đường cong độ định hướng phổ biến của ăng ten loa mặt H



25



Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A



Hình 2.8 cho thấy rằng độ định hướng tối ưu thu được nếu A và R0 thỏa mãn

điều kiện:

A=3 3



(2.27)



= 3



(2.28)



hoặc:



2.2.4. Đặc điểm của ăng ten loa E



Hình 2. 9 Mặt cắt mặt E (y-z) của ăng ten loa hình quạt mặt E

Cấu trúc hình học của ăng ten loa hình quạt mặt E trong mặt phẳng E (y-z)

tương tự với cấu trúc hình học của ăng ten loa hình quạt mặt H trong mặt phẳng H.

Điện trường tại khẩu độ được tính xấp xỉ bằng cơng thức [11, 12]:



=



cos



(2.29)



26



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ĂNG TEN VÀ ĂNG TEN LOA

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×